EP0767027B1 - Verfahren zum Schweissen - Google Patents

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EP0767027B1
EP0767027B1 EP96118248A EP96118248A EP0767027B1 EP 0767027 B1 EP0767027 B1 EP 0767027B1 EP 96118248 A EP96118248 A EP 96118248A EP 96118248 A EP96118248 A EP 96118248A EP 0767027 B1 EP0767027 B1 EP 0767027B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
welding
process according
mechanical
path
welding tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96118248A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0767027A3 (de
EP0767027A2 (de
Inventor
Peter Rippl
Josef Stadler
Horst Kaimer
Miroslav Sauer
Dieter Mühlberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Systems GmbH
Original Assignee
KUKA Schweissanlagen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Schweissanlagen GmbH filed Critical KUKA Schweissanlagen GmbH
Publication of EP0767027A2 publication Critical patent/EP0767027A2/de
Publication of EP0767027A3 publication Critical patent/EP0767027A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0767027B1 publication Critical patent/EP0767027B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/12Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B23K9/127Means for tracking lines during arc welding or cutting

Definitions

  • the invention relates to a method for welding, especially for arc gas welding, with the Features in the preamble of the main claim.
  • JP 550 84 573 deals with the welding of two sheets of different thicknesses, the welding nozzle at constant path feed compared to lateral deflections executes the weld.
  • current and voltage are parallel changed. The changes are opposite. Electricity and Tension on the thick sheet is much higher than on the thinner sheet, the dwell time on the thick sheet, however, significantly lower than on the thin one Sheet metal is.
  • the SU-A-154 79 95 discloses a microprocessor controller for mechanical Pendulum movements of a welding nozzle, which after several Directions is movable.
  • the welding nozzle can run along the tracked or circular or weld seam Carry out repetitive nozzle movements.
  • EP-A-0 195 089 teaches the adjustment of the amplitudes a pendulum movement when welding to different Workpiece thickness. Only the amplitude of the Pendulum deflection changes, but not the frequency and the basic shape of the pendulum pattern. It only finds one simple triangular shape of the pendulum motion application. The Deflection is stronger on the thin sheet than on the thick sheet metal so that the heat input on the more sensitive and thinner sheet than on the is thicker. The document aims to The volume of the weld seam on one or the other sheet to be able to relocate.
  • the invention solves this problem with the features in the main claim.
  • the mechanical pendulum movement with variable speeds along the traced path and the change in the thermal energy introduced at the welding point based on the thermal load capacity, depending on the material and / or geometry of the workpiece, result in a higher uniformity of the welding conditions. As a result, a greater process depth is achieved even with changing component tolerances. Overheating, burning of the seam on thin sheets, uneven filling of seams, burning of coated sheets or other welding defects can no longer occur at the welding point.
  • Welding has particular advantages different workpieces in the material and / or geometry, e.g. the sheet thickness, differ. Same thing also applies to workpieces with different Welding conditions where e.g. the warmth at the Weld is removed at different speeds. For the two workpieces can be with the invention Adjust the heat input differently while doing so optimize.
  • the control of the introduced thermal energy can done in different ways. On the one hand, this can be done about the movement of the welding tool, i.e. e.g. about the speed or length of stay or the distance or the arc length. The slower that Speed or the longer the dwell time and / or the shorter the arc, the higher the penetration.
  • the mechanical pendulum movements can also cross to the web or weld seam or in its longitudinal direction expire. These are preferably Pendulum movements that repeat themselves periodically.
  • the thermal energy introduced can also be about the process parameters are controlled, for example the Current level or the wire feed speed.
  • the Pulse welding can also influence pulse control be taken.
  • the process parameters can also commute and preferably change periodically.
  • the mechanical Movements and changes in the process parameters of controlled by the manipulator control preferably via a function generator. This enables a special good command of the settings and a safe one Synchronization.
  • Fig. 1 shows a in a schematic arrangement Multi-axis manipulator (1), preferably a six or multi-axis industrial robot holding on his hand (2) has flanged a welding tool (3). This is about it is preferably a welding torch (15) for Arc gas shielded arc welding. Alternatively, it can also be any other welding tool.
  • the manipulator (1) guides the welding tool (3) along a predetermined path (16) on a workpiece (4).
  • Fig. 3 shows individual examples.
  • a welding power source (5) is with the welding tool (3) connected. There is another arrangement Shielding gas source and possibly a supply and a Drive for a welding wire, which on the welding torch (15) exit. For the sake of clarity, the latter are not shown.
  • the manipulator (1) has a manipulator control (6), a computer with at least one processor and one or more data memories for programs, parameters and has the same data.
  • the manipulator control (6) is the path to be followed (16), i.e. the weld in its course and its position on the workpiece (4) saved.
  • the actual situation is taken by means of suitable measures the web (16) searched and the stored target position in the manipulator control (6) adjusted accordingly. Then the manipulator (1) follows exactly programmed path (16).
  • the introduction of thermal energy can different ways, for example mechanically and / or be influenced in terms of process technology.
  • the amount of thermal energy introduced depends on the time and / or the intensity.
  • the intensity leaves mechanically over the distance of the Welding torch (15) from the welding point (13) or above control the length of the arc.
  • Process parameters for example the welding current, the Pulse rate, the pulse width, the Wire feed speed or the like possible.
  • Mechanical movements of the welding tool (3) are preferably divided into two areas.
  • this is the so-called geometry pendulum (17), in which the welding tool (3) laterally to the web (16) or is deflected to the weld seam.
  • the Deflection movement can also be at right angles to the web (16), but also obliquely.
  • the so-called speed swing (18) consists of a change in the feed rate by the welding tool (3) along the track (16) is accelerated and / or braked. In extreme cases it can a start / stop movement or even one Result in backward movement.
  • the change in process parameters is called Technology commuting (19).
  • a individual process parameters e.g. the welding current, to be changed.
  • the three types of pendulum mentioned above can be used on any constructive technical ways achieved and controlled become.
  • the mechanical Pendulum movements by a pendulum device with cams realize.
  • the Affect wire drive Via controlled potentiometers or the like, for example, the electrical Process parameters are changed.
  • the control of all pendulum movements via the Manipulator control (6) has one Function generator (7). It also consists of one Computer with at least one processor and one or several data stores and associated software. In the preferred integrated embodiment, the Function generator (7) on the hardware of the Use manipulator control (6). It can also be used as Software function in manipulator control (6) be realized.
  • the function generator (7) can be modular be built and several types of pendulum simultaneously and control synchronously.
  • the mechanical pendulum movements and / or the Process pendulum movements are in several Functional sections of the same or at least proportional size entered in the function generator (7). This is done via a user interface, the window (8) with a standardized size.
  • the Function generator (7) has in the shown Embodiment over three windows (8) in the different parameters for the different Movements and / or processes can be entered.
  • the With a suitable design of hardware and Software can be any size smaller or larger.
  • the parameters are shown as pairs of values in the standardized windows (8) entered. This is qualitative data. They are based on benchmarks, in particular Offset factors and / or gain factors quantified. From the individual pairs of values or Parameters can be called in the function generator (7) Splines can be calculated.
  • the Functions run in the aforementioned Functional sections synchronously.
  • the synchronization preferably takes place via the path of the path feed (16).
  • the function generator (7) preferably starts at the beginning the manipulator movement (1) along the path (16) mentioned functional sections.
  • the start takes place at the same time, the functional sections with those in it predefined functions processed synchronously and simultaneously become.
  • the functional sections become common at the end and at the same time completed and started again. Daduch the functional sections are repeated cyclically, whereby they start and end after the synchronization reference, here straighten the path feed.
  • the cycle or cycle remains preferably the same.
  • the parameters or the functions calculated from them remain at least for the duration of the functional section stored in the function generator (7).
  • the movements and / or processes can have functions be repeated or changed. In the simplest case repeating the same function continuously by for example a consistent one with everyone Functional section repeating periodically Pendulum movement is generated.
  • Fig. 3 shows an embodiment for the combined Speed and technology commuting (18.19). This is for example for welding sheet metal (9) with a Coating (12) used, especially for welding galvanized sheet.
  • the constant Path feed speed is in the longitudinal direction of the path (16) a modulated speed change is superimposed.
  • the welding torch (15) moves alternately slower and faster.
  • the process parameters are controlled in opposite directions (19). When slow The welding current or another will be fed Process parameters switched up.
  • Coating (12) e.g. a layer of zinc, outgas.
  • the process parameters become low switched. The workpiece can thereby protect Cool down overheating again.
  • the arc burns alternately on the seam flanks of the base material and depending on superimposed retraction speed more or less the weld pool from the advance movement. So that the Burn-in, especially for components with gaps influenced and thus the risk of burning be avoided.
  • two workpieces can be made different materials.
  • To this Ways can also be particularly critical Machining workpiece pairs that differ in the material and in distinguish the geometry.
  • the welding torch leads one asymmetrical pendulum movement (17) (so-called Geometry pendulum). He lingers on the thick sheet longer than on the thin sheet. Through the longer one The dwell time of the arc increases Heat input and thus a deeper penetration in the thick Sheet.
  • the thin sheet on the other hand, is only temporary thermally stressed, so that the seam on the thinner sheet does not fail. The result is an even one Weld.
  • the geometry pendulum (17) is adapted from a Technology commuting (19) accompanied.
  • the process parameters in particular the welding current corresponding to the mechanical Pendulum movements switched up and down.
  • the process parameters are higher than on the thin sheet (10).
  • Pendulum movement (17) (geometry pendulum) is used.
  • the process parameters at Technology commuting (19) switched up and down.
  • the welding current is higher than in the area of the gap. Due to the stronger penetration the seam edges melt here more than in the gap and thus a more even filling of the Gap.
  • the technique can also be used for root welding become. It can also be used for fillet welds and Overlap connections as well as when bridging Component tolerances as well as with larger seam cross sections Use thick sheets in the bath.
  • the pendulum frequencies are preferably in the range between 0.2 and 5 Hz (17,18) and used in technology commuting (19) However, frequencies can differ in for example the process parameters with double frequency commute against the mechanical movement parameters. However, as in the previously described Embodiments ensured that the Synchronization of the different types of pendulum (17,18,19) is retained in order to be locally targeted in the sense of the invention a fluctuating energy input to the workpiece (4) produce.
  • the various pendulum movements (17,18,19) according to specifications and setpoints controlled.
  • the specifications and target values can by test welding, but also by Calculations on the energy balance or the like become.
  • the specifications and setpoints can be set in advance for the welding job programmed and then run. It is alternatively also possible, the control variable and to carry out component-related, for example via a suitable leading sensor (14) that measures the gap and sets the default values accordingly and may also change during the welding job. At different workpieces with different Heat input can also be controlled separately take place, one or more for each workpiece own sensors can be used. In all cases the function generator (7) is particularly suitable.

Landscapes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen, mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein solches Verfahren ist aus der JP-A-550 84 573 bekannt.
Die JP 550 84 573 befaßt sich mit dem Schweißen zweier unterschiedlich dicker Bleche, wobei die Schweißdüse bei konstantem Bahnvorschub seitliche Auslenkungen gegenüber der Schweißnaht ausführt. Bei der mechanischen Pendelbewegung werden Strom und Spannung parallel verändert. Die Veränderungen sind gegenläufig. Strom und Spannung sind auf dem dicken Blech wesentlich höher als auf dem dünneren Blech, wobei die Verweilzeit auf dem dicken Blech jedoch deutlich niedriger als auf dem dünnen Blech ist.
Die SU-A-154 79 95 offenbart eine Mikroprozessorsteuerung für mechanische Pendelbewegungen einer Schweißdüse, welche nach mehreren Richtungen beweglich ist. Die Schweißdüse kann entlang der verfolgten Bahn oder Schweißnaht kreisende oder wiederkehrende Düsenbewegungen ausführen.
Aus der US-C-4 544 825 ist es bekannt, gewölbte Oberflächen von Turbinenschaufeln oder dergleichen empfindliche Bauteile mit einem Schweißüberzug zu versehen und die Schweißdüse bei konstantem Bahnvorschub seitliche Pendelbewegungen ausführen zu lassen. Dabei wird die Stromhöhe dem Verlauf der seitlichen Pendelbewegung angepaßt. An den Bauteilrändern wird der Schweißstrom erniedrigt, um ein Abschmelzen der empfindlichen Werkstückränder zu verhindern. Andererseits dient die Stromabsenkung der besseren Meßbarkeit der Werkstückränder, die über Stromänderungen des Lichtbogens erfaßt werden sollen. Außerdem soll einem Erlöschen des Lichtbogens beim Überfahren der Ränder vorgebeugt werden. Die geometrischen Pendelbewegungen sind beim Schweißen gleich. Über die Kantenabtastung des Werkstücks mittels Lichtbogen-Stromüberwachung wird eine Zentrierung der Pendelmittellinie bewirkt. Die Stromabsenkung erfolgt in Abhängigkeit vom Pendelhub, wobei die Absenkung bei einer vorbestimmten Amplitude einsetzt, die weit genug vom Werkstückrand entfernt ist.
Die EP-A-0 195 089 lehrt die Anpassung der Amplituden einer Pendelbewegung beim Schweißen an unterschiedliche Werkstückdicken. Dabei wird nur die Amplitude der Pendelauslenkung verändert, nicht aber die Frequenz und die Grundform des Pendelmusters. Es findet lediglich eine einfache Dreiecksform der Pendelbewegung Anwendung. Die Auslenkung ist auf dem dünnen Blech stärker als auf dem dicken Blech, so daß der Wärmeeintrag auf dem empfindlicheren und dünneren Blech größer als auf dem dickeren ist. Die Entgegenhaltung zielt darauf ab, die Schweißnaht volumenmäßig mehr zum einen oder anderen Blech verlagern zu können.
Beim mechanisierten und automatischen Schweißen wird das Schweißwerkzeug von einem Manipulator entlang einer vorgegebenen Bahn geführt. Beim Schutzgasschweißen (MIG/MAG) kommt je nach Werkstoff, Blechdicke und Schweißaufgabe der Kurz-, Sprüh- oder Pulslichtbogen unter Verwendung von Inert- oder Mischgasen zur Anwendung. Beispielsweise wird beim Einsatz von Kohlendioxid mit Kurz- oder Langlichtbogen geschweißt. Die Prozeßparameter und damit die Lichtbogenart bleibt über die gesamte Schweißnahtlänge konstant. Im Dünnblechbereich und bei Wurzelschweißungen im Dickblechbereich sowie bei spaltbehafteten Bauteilen muß im unteren Parameterfeld mit Kurzlichtbogen geschweißt werden. Bei Nichteisenmetallen wie Aluminium wird mit transistorisierten Stromquellen unter Verwendung inerter Gase im Pulslichtbogenbereich geschweißt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die unterschiedlichen Schweißaufgaben eine größere Prozeßsicherheit zu erreichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
Durch die mechanische Pendelbewegung mit veränderlichen Geschwindigkeiten längs der verfolgten Bahn und durch die an der thermischen Belastbarkeit orientierte Veränderung der an der Schweißstelle eingebrachten Wärmeenergie in Abhängigkeit von Material und/oder Geometrie des Werkstücks wird eine höhere Gleichmäßigkeit der Schweißbedingungen erreicht. Hierdurch wird eine größere Prozeßtiefe auch bei wechselnden Bauteiltoleranzen erzielt. An der Schweißstelle kann es nicht mehr zu Überhitzungen, zu einem Durchbrennen der Naht an dünnen Blechen, zu einem ungleichmäßigen Füllen von Nähten, zu einem Aufbrennen beschichteter Bleche oder zu sonstigen Schweißfehlern kommen.
Besondere Vorteile ergeben sich beim Schweißen unterschiedlicher Werkstücke, die im Werkstoff und/oder der Geometrie, z.B. der Blechdicke, differieren. Gleiches gilt auch bei Werkstücken mit unterschiedlichen Schweißbedingungen, bei denen z.B. die Wärme an der Schweißstelle verschieden schnell abgeführt wird. Für die beiden Werkstücke läßt sich mit der Erfindung die Wärmezufuhr unterschiedlich einstellen und dabei optimieren.
Die Steuerung der eingebrachten Wärmeenergie kann auf verschiedene Weise erfolgen. Einerseits läßt sich dies über die Bewegung des Schweißwerkzeuges, d.h. z.B. über die Geschwindigkeit bzw. Verweildauer oder den Abstand bzw. die Lichtbogenlänge, steuern. Je langsamer die Geschwindigkeit bzw. je länger die Verweildauer und/oder je kürzer der Lichtbogen, desto höher ist der Einbrand. Die mechanischen Pendelbewegungen können zusätzlich quer zur Bahn bzw. Schweißnaht oder in deren Längsrichtung ablaufen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Pendelbewegungen, die sich periodisch wiederholen.
Andererseits kann die eingebrachte Wärmeenergie auch über den Prozeßparameter gesteuert werden, beispielsweise die Stromhöhe oder die Drahtvorschubgeschwindigkeit. Beim Impulsschweißen kann auch über die Pulssteuerung Einfluß genommen werden. Die Prozeßparameter können ebenfalls pendeln und sich vorzugsweise periodisch verändern.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mit den mechanischen Pendelbewegungen synchron auch die Prozeßparameter verändert. Hierdurch läßt sich die Wärmeeinbringung besonders gut steuern.
In der bevorzugten Ausführungsform werden die mechanischen Bewegungen und die Veränderungen der Prozeßparameter von der Manipulatorsteuerung aus gesteuert, vorzugsweise über einen Funktionsgenerator. Dies ermöglicht eine besonders gute Beherrschung der Einstellungen und eine sichere Synchronisation.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1:
einen Manipulator mit einem Schweißwerkzeug und einer Manipulatorsteuerung nebst Funktionsgenerator,
Fig. 2:
mehrere Programmierfenster für den Funktionsgenerator mit verschiedenen Pendeleinstellungen und
Fig. 3:
verschiedene Schweißaufgaben mit zugehörigen Pendeleinstellungen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Anordnung einen mehrachsigen Manipulator (1), vorzugsweise einen sechs- oder mehrachsigen Industrieroboter, der an seiner Hand (2) ein Schweißwerkzeug (3) angeflanscht hat. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Schweißbrenner (15) zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen. Alternativ kann es aber auch ein beliebiges anderes Schweißwerkzeug sein.
Der Manipulator (1) führt das Schweißwerkzeug (3) entlang einer vorgegebenen Bahn (16) an einem Werkstück (4). Fig. 3 zeigt hierzu Einzelbeispiele.
Eine Schweißstromquelle (5) ist mit dem Schweißwerkzeug (3) verbunden. Zu der Anordnung gehören noch eine Schutzgasquelle und gegebenenfalls eine Versorgung und ein Antrieb für einen Schweißdraht, der am Schweißbrenner (15) austritt. Letztere sind der Übersicht halber nicht dargestellt.
Der Manipulator (1) besitzt eine Manipulatorsteuerung (6), die einen Rechner mit mindestens einem Prozessor und einem oder mehreren Datenspeichern für Programme, Parameter und dergleichen Daten aufweist. In der Manipulatorsteuerung (6) ist die zu verfolgende Bahn (16), d.h. die Schweißnaht in ihrem Verlauf und ihrer Lage am Werkstück (4) gespeichert. Durch geeignete Maßnahmen wird die Ist-Lage der Bahn (16) gesucht und die gespeicherte Soll-Lage in der Manipulatorsteuerung (6) entsprechend abgeglichen. Danach verfolgt der Manipulator (1) exakt die programmierte Bahn (16).
Zur Optimierung der Schweißbedingungen wird während des Bahnvorschubs die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie in Anpassung an das Material und/oder an die Geometrie des Werkstücks (4) örtlich und/oder zeitlich verändert. Die Einbringung der Wärmeenergie kann auf verschiedene Weise, beispielsweise auf mechanischem und/oder prozeßtechnischem Weg beeinflußt werden.
Die Höhe der eingebrachten Wärmeenergie hängt von der Zeit und/oder der Intensität ab. Die Zeit kann beispielsweise über die Verweildauer des Schweißbrenners (15) bzw. des Lichtbogens gesteuert werden. Im Grunde ist dies auch auf prozeßtechnischem Weg möglich, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten des Schweißstroms. Die Intensität läßt sich auf mechanischem Weg über den Abstand des Schweißbrenners (15) von der Schweißstelle (13) bzw. über die Länge des Lichtbogens steuern. Auf prozeßtechnischem Weg ist dies über eine entsprechende Veränderung der Prozeßparameter, beispielsweise des Schweißstroms, der Pulsfrequenz, der Pulsbreite, der Drahtvorschubgeschwindigkeit oder dergleichen möglich.
Die mechanischen Bewegungen und/oder die Veränderungen der Prozeßparameter können in einem frei definierbaren Funktionsverlauf vorgenommen werden. So können symmetrische oder asymmetrische, dreiecks-, trapez- oder sinusförmige oder beliebige andere Verläufe definiert werden. Fig. 2 zeigt hierzu einige beispielhafte Kurvenverläufe in Fenstern (8). Vorzugsweise handelt es sich hierbei um periodische Veränderungen in der Art einer Pendelbewegung.
Die mechanischen Bewegungen des Schweißwerkzeugs (3) untergliedern sich vorzugsweise in zwei Bereiche.
Dies ist einerseits das sogenannte Geometriependeln (17), bei dem das Schweißwerkzeug (3) seitlich zur Bahn (16) bzw. zur Schweißnaht ausgelenkt wird. Dies beinhaltet, daß die Auslenkbewegung horizontal, aber auch vertikal oder in einer beliebigen Ebene schräg erfolgen kann. Die Auslenkbewegung kann zudem im rechten Winkel quer zur Bahn (16), aber auch schräg gerichtet sein.
Das sogenannte Geschwindigkeitspendeln (18) besteht in einer Veränderung der Bahnvorschubsgeschwindigkeit, indem das Schweißwerkzeug (3) längs der verfolgten Bahn (16) beschleunigt und/oder gebremst wird. Im Extremfall kann sich eine Start/Stop-Bewegung oder sogar eine Rückwärtsbewegung ergeben.
Die Veränderung der Prozeßparameter wird als Technologiependeln (19) bezeichnet. Hierbei kann ein einzelner Prozeßparameter, z.B. der Schweißstrom, verändert werden. Es ist aber auch möglich, mehrere Prozeßparameter zu modulieren.
Zur Steuerung der eingebrachten Wärmeenergie kommt das Geschwindigkeitspendeln (18) zum Einsatz, das zudem mit einem Technologiependeln (19) und gegebenenfalls auch mit einem Geometriependeln (17) kombiniert ist. Das Technologiependeln (19) läuft hierbei synchron zu den mechanischen Pendelbewegungen ab.
Die drei vorerwähnten Pendelarten können auf beliebigen konstruktiv technischen Wegen erzielt und gesteuert werden. Zum Beispiel lassen sich die mechanischen Pendelbewegungen durch ein Pendelgerät mit Kurvenscheiben realisieren. In ähnlicher Weise läßt sich auch der Drahtantrieb beeinflussen. Über angesteuerte Potentiometer oder dergleichen können beispielsweise die elektrischen Prozeßparameter verändert werden. Zudem ist es möglich, Kennlinien für den Schweißstrom an der Schweißstromquelle (5) umzuschalten, insbesondere wenn es sich hierbei um eine transistorisierte Schweißstromquelle handelt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung aller Pendelbewegungen über die Manipulatorsteuerung (6). Diese weist dazu einen Funktionsgenerator (7) auf. Er besteht ebenfalls aus einem Rechner mit mindestens einem Prozessor und einem oder mehreren Datenspeichern sowie zugehöriger Software. In der bevorzugten integrierten Ausführungsform kann der Funktionsgenerator (7) auf die Hardware der Manipulatorsteuerung (6) zurückgreifen. Er kann auch als Softwarefunktion in der Manipulatorsteuerung (6) realisiert sein. Der Funktionsgenerator (7) kann modular aufgebaut sein und mehrere Pendelarten gleichzeitig und synchron steuern.
Die mechanischen Pendelbewegungen und/oder die Prozeßpendelbewegungen werden in mehreren Funktionsabschnitten gleicher oder zumindest proportionaler Größe im Funktionsgenerator (7) eingegeben. Dies geschieht über eine Benutzeroberfläche, die Fenster (8) mit normierter Größe zur Verfügung stellt. Der Funktionsgenerator (7) verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über drei Fenster (8), in die verschiedene Parameter für die unterschiedlichen Bewegungen und/oder Prozesse eingegeben werden können. Die Fensterzahl kann bei geeigneter Auslegung von Hardware und Software beliebig kleiner oder größer sein. Die Parameter werden als Wertepaare in den normierten Fenstern (8) eingegeben. Hierbei handelt es sich um qualitative Daten. Sie werden durch Bezugsgrößen, insbesondere Offset-Faktoren und/oder Verstärkungsfaktoren quantifiziert. Aus den einzelnen Wertepaaren bzw. Parametern können im Funktionsgenerator (7) sogenannte Splines errechnet werden.
Aus den Wertepaaren in den Fenstern (8) und den hieraus gewonnenen Splines werden Funktionen für die mechanischen und prozeßtechnischen Pendelbewegungen berechnet. Die Funktionen laufen in den eingangs erwähnten Funktionsabschnitten synchron ab. Die Synchronisation erfolgt vorzugsweise über den Weg des Bahnvorschubs (16). Der Funktionsgenerator (7) startet vorzugsweise mit Beginn der Manipulatorbewegung (1) entlang der Bahn (16) die erwähnten Funktionsabschnitte. Der Start erfolgt gleichzeitig, wobei die Funktionsabschnitte mit den darin vorgegebenen Funktionen synchron und simultan abgearbeitet werden. Die Funktionsabschnitte werden am Ende gemeinsam und zugleich abgeschlossen und erneut gestartet. Daduch werden die Funktionsabschnitte zyklisch wiederholt, wobei sie Start und Ende nach dem Synchronisationsbezug, hier den Bahnvorschub richten. Der Zyklus bzw. der Takt bleibt vorzugsweise gleich.
Die Parameter bzw. die daraus berechneten Funktionen bleiben zumindest für die Dauer des Funktionsabschnittes im Funktionsgenerator (7) gespeichert. Je nach Komplexität der Bewegungen und/oder Prozesse können die Funktionen wiederholt oder verändert werden. Im einfachsten Fall wird die gleiche Funktion ständig wiederholt, indem beispielsweise eine gleichbleibende, mit jedem Funktionsabschnitt sich periodisch wiederholende Pendelbewegung erzeugt wird.
Es ist aber auch möglich, die Funktionen permanent oder periodisch zu verändern. Hierzu können die Funktionen oder die Wertepaare bzw. Parameter in Datenspeichern festgehalten und nach Vorgabe eines Programms einzeln und selektiv abgerufen werden. Hierbei könnten im einfachsten Fall die Parameter eingegeben und hieraus im Funktionsgenerator (7) Funktionen berechnet werden. Alternativ können auch gleich die fertigen Funktionen bereitgestellt und eingespielt werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform für das kombinierte Geschwindigkeits- und Technologiependeln (18,19). Dies wird bespielsweise zum Schweißen von Blechen (9) mit einer Beschichtung (12) eingesetzt, insbesondere zum Schweißen verzinkter Bleche. Der konstanten Bahnvorschubgeschwindigkeit wird in Längsrichtung der Bahn (16) eine modulierte Geschwindigkeitsänderung überlagert. Der Schweißbrenner (15) wandert dabei abwechselnd langsamer und schneller vor. Die Prozeßparameter werden hierbei gegenläufig (19) gesteuert. Beim langsamen Vorschub werden der Schweißstrom oder ein anderer Prozeßparameter hochgeschaltet. Durch die Erhöhung der Wärmeeinbringung und der Temperatur im Bauteil kann die Beschichtung (12), z.B. eine Zinkschicht, ausgasen. Beim schnellen Vorschub werden die Prozeßparameter niedrig geschaltet. Das Werkstück kann dadurch zum Schutz von Überhitzung wieder etwas abkühlen.
Diese Vorgehensweise ist z.B. auch beim Schweißen von temperaturempfindlichen Werkstoffen, wie Aluminium etc., von Vorteil. Durch die gesteuerte Wärmeeinbringung mit den zwischengeschalteten Kühlphasen wird ein Einbrennen der Schweißbahn verhindert. Ferner läßt sich die Aufheizung des Werkstücks und der Einfluß der Restwärme besser kontrollieren.
In Variation zur gezeigten Ausführungsform kann das Geschwindigkeitspendeln (18) mit einem Geometriependeln (17) in Form einer Abstandsänderung kombiniert werden. Durch entsprechende Stop- und Rückwärtsbewegungen kann sich dadurch eine im linken Teil von Fig. 3 dargestellte Rollbewegung ergeben. Der Lichtbogen brennt abwechselnd auf den Nahtflanken des Grundwerkstoffs und je nach überlagerter Rückzugsgeschwindigkeit mehr oder minder auf dem Schweißbad aus der Vorlaufbewegung. Damit kann der Einbrand vor allem bei spaltbehafteten Bauteilen beeinflußt und somit die Gefahr des Durchbrennens vermieden werden.
In ähnlicher Weise kann auch bei zwei Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen verfahren werden. Das thermisch empfindlichere und damit schneller aufheizbare Blech erhält weniger Wärme als das andere Blech. Auf diese Weise lassen sich auch besonders kritische Werkstückpaarungen bearbeiten, die sich im Material und in der Geometrie unterscheiden.
In einer Variante des Geometriependelns (17), bei der ein dickes Blech und ein dünnes Blech miteinander zu verschweißen sind, führt der Schweißbrenner (15) eine asymetrische Pendelbewegung (17) (sogenanntes Geometriependeln) aus. Er verweilt auf dem dicken Blech länger als auf dem dünnen Blech. Durch die längere Verweilzeit des Lichtbogens ergibt sich eine stärkere Wärmeeinbringung und damit ein tieferer Einbrand im dicken Blech. Das dünne Blech wird hingegen nur kurzzeitig thermisch belastet, so daß die Naht am dünneren Blech nicht durchfällt. Es ergibt sich eine gleichmäßige Schweißnaht.
Das Geometriependeln (17) wird von einem angepaßten Technologiependeln (19) begleitet. Hierbei werden gemäß der angepaßten Funktion die Prozeßparameter, insbesondere der Schweißstrom entsprechend den mechanischen Pendelbewegungen hoch und tief geschaltet. Auf dem dicken Blech (9) sind die Prozeßparameter höher als auf dem dünnen Blech (10).
In einer weiteren Variante für die Verschweißung zweier im wesentlichen gleich dicker Bleche mit einem dazwischenliegenden Spalt kommt eine symmetrische Pendelbewegung (17) (Geometriependeln) zum Einsatz. Analog werden wiederum die Prozeßparameter beim Technologiependeln (19) hoch und tief geschaltet. In der Auslenkphase ist beispielsweise der Schweißstrom höher als im Bereich des Spaltes. Durch den stärkeren Einbrand an den Nahträndern erfolgt hier ein stärkeres Abschmelzen als im Spalt und damit eine gleichmäßigere Füllung des Spaltes.
Die Technik kann auch zum Wurzelschweißen verwendet werden. Sie kann außerdem bei Kehlnähten und Überlappverbindungen sowie bei der Überbrückung von Bauteiltoleranzen sowie bei größeren Nahtquerschnitten an Dickblechen in Wannenlage zur Anwendung gelangen.
Die Pendelfrequenzen bewegen sich vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 5 Hz. Die beim mechanischen Pendeln (17,18) und beim Technologiependeln (19) verwendeten Frequenzen können sich jedoch unterscheiden, indem beispielsweise die Prozeßparameter mit doppelter Frequenz gegenüber den mechanischen Bewegungsparametern pendeln. Dabei wird jedoch, wie auch in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, sichergestellt, daß die Synchronisation der verschiedenen Pendelarten (17,18,19) erhalten bleibt, um im Sinne der Erfindung örtlich gezielt einen schwankenden Energieeintrag am Werkstück (4) zu erzeugen.
In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen werden die verschiedenen Pendelbewegungen (17,18,19) nach Vorgaben und Sollwerten gesteuert. Die Vorgaben und Sollwerte können durch Probeschweißungen, aber auch durch Berechnungen über die Energiebilanz oder dgl. ermittelt werden.
Die Vorgaben und Sollwerte können für den Schweißjob vorab fest programmiert und dann abgefahren werden. Es ist alternativ auch möglich, die Steuerung variabel und bauteilbezogen vorzunehmen, beispielsweise über einen geeigneten voreilenden Sensor (14), der den Spalt vermißt und entsprechend die Vorgabewerte einstellt und gegebenenfalls auch während des Schweißjobs ändert. Bei unterschiedlichen Werkstücken mit differierender Wärmeeinbringung kann auch eine getrennte Steuerung erfolgen, wobei für jedes Werkstück ein oder mehrere eigene Sensoren eingesetzt werden können. In allen Fällen eignet sich der Funktionsgenerator (7) besonders.
Neben einer variablen Steuerung ist auch eine Regelung der Pendelbewegungen (17,18,19) möglich. Hierzu werden aussagefähige Daten über die Schweißqualität, die Werkstückbelastung oder dgl. aufgenommen und in die Steuerung, insbesondere den Funktionsgenerator (7), rückgeführt. Dies kann beispielsweise in einer Temperaturerfassung und einer Thermorückführung bestehen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Manipulator
2
Hand
3
Schweißwerkzeug
4
Werkstück
5
Schweißstromquelle
6
Manipulatorsteuerung
7
Funktionsgenerator
8
Fenster
9
Blech, dick
10
Blech, dünn
11
Spalt
12
Beschichtung
13
Schweißstelle
14
Sensor
15
Schweißbrenner
16
Bahn, Bahnvorschub
17
Pendelbewegung, Geometriependeln
18
Pendelbewegung, Geschwindigkeitspendeln
19
Pendelbewegung, Technologiependeln

Claims (11)

  1. Verfahren zum Schweißen, insbesondere zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen, von ein oder mehreren Werkstücken (9,10) mit einem Schweißwerkzeug (3), das von einem Manipulator (1) entlang einer vorgegebenen Bahn (16) geführt wird, wobei das Schweißwerkzeug (3) mechanische Pendelbewegungen ausführt und parallel dazu die Prozeßparameter (19) in der Höhe verändert werden, und wobei die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie in Anpassung an das Material und/oder die Geometrie der Werkstücke (9,10) derart örtlich und/oder zeitlich verändert wird, daß die thermische Belastbarkeit der Werkstücke (9,10) nicht überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim mechanischen Pendeln (18) das Schweißwerkzeug (3) längs der verfolgten Bahn (16) zeitweise beschleunigt und/oder gebremst und/oder angehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter (19) gegenläufig zum mechanischen Pendeln (18) gesteuert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißwerkzeug (3) auf der verfolgten Bahn (16) zeitweise rückwärts bewegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißwerkzeug (3) beim mechanischen Pendeln (17) zusätzlich quer oder schräg zur Bahn (16) ausgelenkt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zeitweise der Abstand des Schweißwerkzeugs (3) über der Bahn (16) verändert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißwerkzeug (3) Rollbewegungen über der Bahn (16) ausführt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische und das prozeßtechnische Pendeln (17,18,19) periodisch erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische und das prozeßtechnische Pendeln (17,18,19) von der Manipulatorsteuerung (6) gesteuert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische und das prozeßtechnische Pendeln von einem Funktionsgenerator (7) in der Manipulatorsteuerung (6) gemeinsam und synchron gesteuert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendel-Frequenz ca. 0,2 bis 5 Hz beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Schweißstelle (13) eingebrachte Wärmeenergie geregelt wird.
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